JP2020537187A - ピクセル化されたディスプレイの画像分解能を倍増させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ディスプレイ分解能倍増ソリューションを統合するシステムは、種々の異なる方法において実装されることができる。多くの実施形態では、本システムは、画像光を投影させるための画像プロジェクタと、本来の画像および所定の方向に偏移された少なくとも１つの画像を算出するための画像プロセッサと、回折状態と非回折状態との間で切り替えられることが可能な少なくとも１つの切替可能な格子とを含む。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、画像プロジェクタに光学的に結合される。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、本来の画像光を伝搬するための第１の構成と、所定の方向における画像偏移に対応する角度変位を有する、偏移された画像光を伝搬するための少なくとも１つの他の構成とを有する。

Description

本発明は、概して、ディスプレイに関し、より具体的には、ピクセル化されたディスプレイの分解能を倍増させるためのホログラフィックデバイスに関する。

導波管は、波を閉じ込め、誘導する（すなわち、その中で波が伝搬し得る、空間領域を制限する）能力を伴う構造として参照され得る。１つのサブクラスは、光学導波管を含み、これは、電磁波、典型的には、可視スペクトル内のものを誘導し得る、構造である。導波管構造は、いくつかの異なる機構を使用して、波の伝搬経路を制御するように設計されることができる。例えば、平面導波管は、内部結合された光が、全内部反射（「ＴＩＲ」）を介して、平面構造内で進行するように進み得るように、回折格子を利用して、入射光を回折し、導波管構造の中に結合するように設計されることができる。

導波管の加工は、導波管内のホログラフィック光学要素の記録を可能にする、材料系の使用を含むことができる。そのような材料の１つのクラスは、ポリマー分散液晶（「ＰＤＬＣ」）混合物を含み、これは、光重合性モノマーおよび液晶を含有する、混合物である。そのような混合物のさらなるサブクラスは、ホログラフィックポリマー分散液晶（「ＨＰＤＬＣ」）混合物を含む。体積位相格子等のホログラフィック光学要素は、材料を２つの相互にコヒーレントなレーザビームで照明することによって、そのような液体混合物中に記録されることができる。記録プロセスの間、モノマーは、重合化し、混合物は、光重合誘発位相分離を受け、液晶微小液滴によって稠密に密集され、クリアポリマーの領域が散在される、領域を作成する。交互する液晶豊富および液晶欠乏領域は、格子の干渉縞平面を形成する。

上記に説明されるもの等の導波管光学は、ある範囲のディスプレイおよびセンサ用途のために検討され得る。多くの用途では、複数の光学機能をエンコードする１つ以上の格子層を含有する、導波管は、種々の導波管アーキテクチャおよび材料系を使用して実現され、拡張現実（「ＡＲ」）および仮想現実（「ＶＲ」）のための接眼ディスプレイ、航空および道路交通のためのコンパクトなヘッドアップディスプレイ（「ＨＵＤ」）、およびバイオメトリックおよびレーザレーダ（「ＬＩＤＡＲ」）用途のためのセンサにおける新しい革新を可能にすることができる。

一実施形態は、ディスプレイ分解能を倍増させるための装置であって、ピクセル化された画像源のピクセルからの光を一意の角度方向に指向するための画像プロジェクタと、画像プロジェクタによる順次表示のために、本来の画像および所定の方向に偏移された少なくとも１つの画像を算出するための画像プロセッサと、画像プロジェクタに光学的に結合される、回折状態と非回折状態との間で切替可能な少なくとも１つの切替可能な格子であって、本来の画像の光を伝搬するための第１の構成と、所定の方向に偏移された画像に対応する角度変位を伴う、偏移された画像の光を伝搬するための少なくとも１つの構成とを有する、少なくとも１つの切替可能な格子とを含む、装置を含む。

別の実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、少なくとも１つの導波管内に配置される。

さらなる実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、第１、第２、第３、第４の格子を含み、第１の格子は、第３の格子に重複し、第２の格子は、第４の格子に重複し、第１および第３の格子は、入力結合器として作用し、第２および第４の格子は、出力結合器として作用し、第１の構成は、その回折状態における、第１または第３の格子のうちの１つおよび第２または第４の格子のうちの１つによって提供され、偏移された画像光を伝搬するための少なくとも１つの構成は、第１、第２、第３、および第４の格子の回折状態の少なくとも１つの他の組み合わせによって提供される。

さらに別の実施形態では、第１および第２の格子は、導波管内の第１の層の中に配置され、第３および第４の格子は、導波管内の第２の層の中に配置される。

なおもさらなる実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、第１の導波管内に配置される第１および第２の格子と、第２の導波管内に配置される第３および第４の格子とを含み、第１の格子は、第３の格子に重複し、第２の格子は、第４の格子に重複し、第１および第３の格子は、入力結合器として作用し、第２および第４の格子は、出力結合器として作用し、第１の構成は、第１および第２の格子がその回折状態にあるときに提供され、第２の構成は、第１および第２の格子がその非回折状態にあるときに提供される。

さらに別の実施形態では、画像偏移は、（Ｎ＋１／２）×ピクセル寸法と等しく、Ｎは、整数である。

なおもさらなる実施形態では、本来の画像および偏移された画像は、ヒトの眼の統合周期内で順次表示される。

別の付加的実施形態では、画像偏移は、垂直偏移または水平偏移のうちの１つである。

さらなる付加的実施形態では、少なくとも１つの画像偏移は、垂直偏移および水平偏移を含む。

別の実施形態では再び、切替可能な格子は、ホログラフィックポリマー分散型の切替可能なブラッグ格子内に記録される。

再び、さらなる実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、非切替格子をさらに含む導波管内に配置される。

なおもさらに別の実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、折畳格子をさらに含む導波管内に配置される。

なおも別のさらなる実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、波長または角度帯域幅のうちの少なくとも１つを多重化する少なくとも１つの格子を含む。

さらに別の付加的実施形態では、装置は、ＨＭＤ、ＨＵＤ、眼追従式ディスプレイ、動的焦点ディスプレイ、またはライトフィールドディスプレイの一部を形成する。

なおもさらなる付加的実施形態では、画像プロジェクタはさらに、マイクロディスプレイパネルを含む。

再び、さらに別の実施形態では、画像プロジェクタは、プリズムまたは格子のうちの１つによって、第１の格子および第３の格子に光学的に結合される。

再び、なおもさらなる実施形態では、本装置はさらに、照明ホモジナイザを含む。

さらに別の付加的実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、回転Ｋベクトル格子である。

なおもさらなる付加的実施形態では、導波管はさらに、入力結合器と、折畳格子と、出力結合器とを含む。

再び、さらに別の実施形態は、導波管ディスプレイの分解能を倍増させる方法であって、画像プロジェクタおよび画像プロセッサを提供するステップと、第１、第２、第３、および第４の切替可能な格子を含有する、導波管を提供するステップであって、第１および第３の格子は、実質的に重複し、第２および第４の格子は、実質的に重複し、各格子は、ある角度偏移を入射光に適用するための光学処方を有する、ステップと、ピクセル偏移（Ｎ＋１／２）×Ｐを選択するステップであって、Ｎは、ゼロ以上の整数であり、Ｐは、ピクセル寸法である、ステップと、画像プロセッサを使用して、偏移された画像を算出するステップと、偏移された画像を画像プロジェクタに書き込むステップと、第１および第３の切替可能な格子のうちの１つおよび第２および第４の切替可能な格子のうちの１つをその回折状態に切り替えるステップと、回折する第１または第３の切替可能な格子を介して、偏移された画像光を導波管の中に結合するステップと、回折する第２または第４の切替可能な格子を介して、画像光を導波管から外に結合するステップであって、ピクセル偏移は、回折する切替可能な格子の処方によって決定される、ステップとを含む、方法を含む。

付加的実施形態および特徴が、部分的に、続く説明に記載され、部分的に、本明細書の吟味に応じて、当業者に明白となるであろう、または本発明の実践によって習得され得る。本発明の性質および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分と、本開示の一部を形成する、図面とを参照することによって実現され得る。

説明は、本発明の例示的実施形態として提示され、本発明の範囲の完全な列挙として解釈されるべきではない、以下の図およびデータグラフを参照することによって、より完全に理解されるであろう。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明のある実施形態による、分解能倍増導波管デバイスの２つの動作状態の概略断面図を概念的に図示する。

図２は、本発明のある実施形態による、分解能倍増導波管デバイスの概略断面図を概念的に図示する。

図３Ａは、本発明のある実施形態による、導波管ディスプレイに光学的にインターフェースを取られる、分解能倍増導波管デバイスの第１の動作状態の概略断面図を概念的に図示する。

図３Ｂは、本発明のある実施形態による、導波管ディスプレイに光学的にインターフェースを取られる、分解能倍増導波管デバイスの第２の動作状態の概略断面図を概念的に図示する。

図４Ａ−４Ｄは、本発明のある実施形態による、いくつかの実施形態において分解能４倍増を提供するために使用される、４つのピクセル偏移ステップの正面立面図を概念的に図示する。 図４Ａ−４Ｄは、本発明のある実施形態による、いくつかの実施形態において分解能４倍増を提供するために使用される、４つのピクセル偏移ステップの正面立面図を概念的に図示する。

図５Ａ−５Ｄは、本発明のある実施形態による、分解能４倍増導波管デバイスの４つの動作状態の概略断面図を概念的に図示する。 図５Ａ−５Ｄは、本発明のある実施形態による、分解能４倍増導波管デバイスの４つの動作状態の概略断面図を概念的に図示する。

図６は、本発明のある実施形態による、導波管ディスプレイの分解能を倍増させる方法を図示する、フローチャートを概念的に図示する。

本実施形態を説明する目的のために、光学設計および視覚的ディスプレイの当業者に公知の光学技術のいくつかの周知の特徴は、本発明の基本原理を曖昧にしないために、省略または簡略化されている。別様に述べられない限り、光線またはビーム方向に関連する用語「軸上」は、本発明に関連して説明される光学コンポーネントの表面に法線の軸と平行な伝搬を指す。以下の説明では、用語「光」、「光線」、「ビーム」、および「方向」は、同義的かつ相互に関連付けて使用され、直線軌道に沿った電磁放射の伝搬方向を示し得る。用語「光」および「照明」は、電磁放射スペクトルの可視および赤外線帯域に関連して使用され得る。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般に採用される用語を使用して提示されるであろう。本明細書で使用されるように、用語「格子」は、いくつかの実施形態では、格子のセットから成る格子を包含してもよい。例証目的のために、図面は、別様に述べられない限り、正確な縮尺で描かれていないことを理解されたい。

ここで図面に目を向けると、本発明の種々の実施形態による、接眼ディスプレイまたはヘッドアップディスプレイシステムに関連するディスプレイ分解能を倍増させるためのシステムおよび方法が、図示される。導波管光学系は、限定ではないが、ＡＲ、ＶＲ、ＨＵＤ、ＬＩＤＡＲ用途等のある範囲のディスプレイおよびセンサ用途のために検討されることができる。異なる用途は、性能、形状因子、および製造コストの観点から、異なる要件を有し得る。頭部搭載型ＡＲディスプレイ成功のための前提条件は、ＦＯＶを画像詳細で充填するために十分に高い分解能を伴う、小型で、低影響形状因子、高明度、かつ広視野（「ＦＯＶ」）のディスプレイであるという、統一見解が広がりつつある。多くの場合、少なくとも１０８０ｐの分解能（１６：９アスペクト比ＨＤワイドスクリーン規格における１９２０×１０８０ピクセル）によってサポートされる、５０度ＦＯＶディスプレイを有することが望ましくあり得る。あるウェアラブル形状因子需要を満たすために、入力画像を提供するために使用される、マイクロディスプレイは、ある寸法に準拠すべきである。多くの用途に関して、マイクロディスプレイは、０．２３−インチ対角線を上回るべきではない。しかしながら、現在のピクセルサイズは、典型的には、１０８０ｐピクセル分解能をそのような小ディスプレイ面積の中にもたらさない。ＦＯＶ／分解能ボトルネックを克服するための１つの方法は、画像分解能倍増の使用を含む。その背面投影ＴＶにおけるＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによって開拓された１つの十分に確立された技法は、１０８０ｐ分解能を達成するために、高速切替ＤＬＰ技術と高速機械ミラーを組み合わせ、ピクセル２倍増を可能にするものである。しかしながら、そのようなソリューションは、形状因子および機械的複雑性およびコストに対する産業上の抵抗の両方の観点から、ＡＲウェアラブル装置のために好適ではない。有機ＬＥＤ等の代替技術は、高明度を伴って１０８０ｐ分解能を費用効果的にもたらすために十分に成熟していない。これらの問題に対処するために、本発明の多くの実施形態は、ディスプレイ分解能倍増およびそのようなソリューションの導波管ディスプレイ内への統合のためのコンパクトで、光学的に効率的、かつ費用効果的ソリューションを対象とする。

ディスプレイ分解能倍増ソリューションを統合する、システムは、種々の異なる方法において実装されることができる。多くの実施形態では、本システムは、画像光を投影させるための画像プロジェクタと、本来の画像および所定の方向に偏移された少なくとも１つの画像を算出するための画像プロセッサと、回折状態と非回折状態との間で切り替えられることが可能な少なくとも１つの切替可能な格子とを含む。さらなる実施形態では、切替可能な格子は、分解能倍増導波管内に実装される、切替可能なブラッグ格子（「ＳＢＧ」）である。ＳＢＧは、導波管内に実装され、従来のシステムと比較して、システム内の層の厚さおよび数を低減させることができる。ＳＢＧはまた、マイクロディスプレイ上に順次提示される画像をタイル化することによって、視野を増加させるために実装されることができる。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、画像プロジェクタに光学的に結合される。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、本来の画像光を伝搬するための第１の構成と、所定の方向における画像偏移に対応する角度変位を有する、偏移された画像光を伝搬するための少なくとも１つの他の構成とを有する。ヒトの眼の統合周期内において、本来の画像および偏移された画像を順次表示することによって、ディスプレイ分解能は、倍増されることができる。ホログラフィック導波管技術およびディスプレイ分解能倍増ソリューションは、下記にさらに詳細に議論される。
切替可能なブラッグ格子

ホログラフィック導波管技術は、有利には、限定ではないが、軍事用途および消費者用途（例えば、拡張現実眼鏡等）を含む、多くの用途のために、ヘルメット搭載型ディスプレイまたは頭部搭載型ディスプレイ（「ＨＭＤ」）およびヘッドアップディスプレイのための導波管内に実装されることができる。いくつかの実施形態では、より大きい射出瞳が、従来の格子と併せて、折畳格子を使用して、水平および垂直方向の両方において、瞳拡張を単一導波管上に提供し、アイボックスサイズの確保を可能にしながら、レンズサイズを低減させることによって、作成されることができる。本明細書に開示されるシステムおよび方法を使用することによって、単一光学導波管基板が、現在の導波管システムと比較して、より広い視野を生成することができる。そのような実施形態では、回折格子が、光線を、異なる方向に進行し、それによって、光線を分散させる、いくつかのビームに分割および回折するために使用されることができる。

導波管内に記録される光学構造は、限定ではないが、回折格子等の多くの異なるタイプの光学要素を含むことができる。多くの実施形態では、実装される格子は、ブラッグ格子（体積格子とも称される）である。ブラッグ格子は、光がより高い次数に殆ど回折されずに、高効率を有することができる。回折およびゼロ次内の光の相対的量は、大瞳にわたって光を抽出するための有損失導波管格子を作製するために使用され得る、性質である、格子の屈折率変調を制御することによって、変動されることができる。ホログラフィック導波管デバイス内で使用される格子の１つのクラスは、切替可能なブラッグ格子である。ＳＢＧは、最初に、光重合性モノマーと液晶材料の混合物の薄膜をガラスプレートまたは基板間に設置することによって、加工されることができる。多くの場合、ガラスプレートは、平行構成にある。一方または両方のガラスプレートは、フィルムを横断して電場を印加するために、電極、典型的には、透明スズ酸化物フィルムを支持することができる。ＳＢＧ内の格子構造は、空間周期的強度変調を伴う干渉暴露を使用して、光重合誘発位相分離を通して、液体材料（多くの場合、シロップと称される）内に記録されることができる。限定ではないが、照射強度、混合物内の材料の成分体積割合、および暴露温度の制御等の要因は、結果として生じる格子形態および性能を決定することができる。容易に理解され得るように、様々な材料および混合物が、所与の用途の具体的要件に応じて、使用されることができる。多くの実施形態では、ＨＰＤＬＣ材料が、使用される。記録プロセスの間、モノマーは、重合化し、混合物は、位相分離を受ける。ＬＣ分子は、凝集し、光学波長のスケールでポリマーネットワーク内に周期的に分散される、離散または合体した液滴を形成する。交互する液晶豊富および液晶欠乏領域は、格子の干渉縞平面を形成し、これは、液滴内のＬＣ分子の配向秩序から生じる強固な光学偏光を伴う、ブラッグ回折を生産することができる。

結果として生じる体積位相格子は、非常に高回折効率を呈することができ、これは、フィルムを横断して印加される電場の大きさによって制御されることができる。電場が、透明電極を介して、格子に印加されると、ＬＣ液滴の自然配向は、変化し、干渉縞の屈折率変調を低下させ、ホログラム回折効率を非常に低レベルに降下させ得る。典型的には、電極は、印加される電場が基板と垂直となるであろうように構成される。いくつかの実施形態では、電極は、酸化インジウムスズ（「ＩＴＯ」）から加工される。電場が印加されない、オフ状態では、液晶の異常軸は、概して、干渉縞に対して法線方向（すなわち、格子またはＫベクトルと平行）に整合する。格子は、したがって、Ｐ−偏光（すなわち、入射平面における偏光ベクトルを伴う光）に関して、高屈折率変調および高回折効率を呈するが、Ｓ偏光（すなわち、入射平面に対して法線方向の偏光ベクトルを伴う光）に関して、約ゼロ回折効率を有する。電場が、ＨＰＤＬＣに印加されると、格子は、オン状態に切り替わり、液晶分子の異常軸は、印加される場と平行に、故に、基板と垂直に整合する。オン状態では、格子は、Ｓ−およびＰ−偏光両方に関して、より低い屈折率変調およびより低い回折効率を呈する。したがって、格子領域は、もはや光を回折しない。各格子領域は、ＨＰＤＬＣデバイスの機能に従って、例えば、ピクセル行列等の多数の格子要素に分割されることができる。典型的には、１つの基板表面上の電極は、均一かつ連続である一方、対向基板表面上の電極は、多数の選択的に切替可能な格子要素に従ってパターン化される。

典型的には、ＳＢＧ要素は、オンに切り替わるためのより長い緩和時間を伴うが、３０μｓ以内にクリアに切り替えられる。デバイスの回折効率は、ある連続範囲にわたって印加される電圧を用いて調節されることができることに留意されたい。多くの場合、デバイスは、電圧が印加されないと、ほぼ１００％効率を呈し、十分に高い電圧が印加されると、本質的に、ゼロ効率を呈する。あるタイプのＨＰＤＬＣデバイスでは、磁場が、ＬＣ配向を制御するために使用されることができる。いくつかのＨＰＤＬＣ用途では、ポリマーからのＬＣ材料の位相分離は、判別可能液滴構造が生じないような程度まで遂行されることができる。ＳＢＧはまた、受動格子として使用されることができる。本モードでは、その主な利点は、一意に高い屈折率変調である。ＳＢＧは、自由空間用途のために、透過または反射格子を提供するために使用されることができる。ＳＢＧは、その中にＨＰＤＬＣが導波管コアまたはエバネッセント結合層のいずれかを導波管に近接して形成する、導波管デバイスとして実装されることができる。ＨＰＤＬＣセルを形成するために使用される、ガラスプレートは、全内部反射光誘導構造を提供する。光は、切替可能な格子が光をＴＩＲ条件を超える角度で回折すると、ＳＢＧから外に結合され得る。
ＨＰＤＬＣ材料系

本発明の種々の実施形態による、ＨＰＤＬＣ混合物は、概して、ＬＣと、モノマーと、光開始剤染料と、共開始剤とを含む。混合物（多くの場合、シロップと称される）はまた頻繁に、界面活性剤を含む。本発明を説明する目的のために、界面活性剤は、総液体混合物の表面張力を降下させる、任意の化学剤として定義される。ＰＤＬＣ混合物内の界面活性剤の使用は、公知であって、ＰＤＬＣの最初の調査まで遡る。例えば、Ｒ．Ｌ Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．（ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２６８９，１５８−１６９，１９９６）による論文（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、それに対して界面活性剤が添加され得る、モノマーと、光開始剤と、共開始剤と、連鎖延長剤と、ＬＣとを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。界面活性剤はまた、Ｎａｔａｒａｊａｎ ｅｔ ａｌ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｖｏｌ． ５ Ｎｏ． ｌ８９−９８， １９９６）による論文（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）にも述べられている。さらに、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ， ｅｔ ａｌ．による米国特許第７，０１８，５６３号は、少なくとも１つのアクリル酸モノマーと、少なくとも１つのタイプの液晶材料と、光開始剤染料と、共開始剤と、界面活性剤とを含む、ポリマー分散液晶光学要素を形成するためのポリマー分散液晶材料について議論している。米国特許第７，０１８，５６３号の開示は、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる。

特許および科学文献は、高回折効率、高速応答時間、低駆動電圧等を達成するためのそのような材料系の調査を含む、ＳＢＧを加工するために使用され得る、材料系およびプロセスの多くの実施例を含有する。Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａ ｅｔ ａｌ．による米国特許第５，７５１，４５２は両方とも、ＳＢＧデバイスを加工するために好適なモノマーと液晶材料の組み合わせを説明している。レシピの実施例はまた、１９９０年代初期に遡った論文に見出され得る。これらの材料の多くは、以下を含め、アクリレートモノマーを使用する。
・ Ｒ．Ｌ． Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．， Ｃｈｅｍ． Ｍａｔｅｒ． ５，１５３３（１９９３）（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートポリマーおよび界面活性剤の使用を説明する。具体的には、レシピは、架橋結合多官能アクリレートモノマーと、連鎖延長剤Ｎ−ビニルピロリドンと、ＬＣＥ７と、光開始剤ローズベンガルと、共開始剤Ｎ−フェニルグリシンとを含む。界面活性剤カプリル酸が、ある変形では、添加された。
・ Ｆｏｎｔｅｃｃｈｉｏ ｅｔ ａｌ．， ＳＩＤ ００ Ｄｉｇｅｓｔ ７７４−７７６， ２０００（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、多官能アクリレートモノマーと、ＬＣと、光開始剤と、共開始剤と、連鎖停止剤とを含む、反射性ディスプレイ用途のためのＵＶ硬化性ＨＰＤＬＣを説明する。
・ Ｙ．Ｈ． Ｃｈｏ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ４８，１０８５−１０９０，１９９９（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートを含む、ＨＰＤＬＣレシピを開示する。
・ Ｋａｒａｓａｗａ ｅｔ ａｌ．， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３６，６３８８−６３９２，１９９７（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、種々の官能性次数のアクリレートを説明する。
・ Ｔ．Ｊ． Ｂｕｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｐａｒｔ Ｂ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．３５，２８２５−２８３３，１９９７（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）もまた、多官能アクリレートモノマーを説明する。
・ Ｇ．Ｓ． Ｉａｎｎａｃｃｈｉｏｎｅ ｅｔ ａｌ．， Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ３６（６）． ４２５−４３０，１９９６（本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、ペンタアクリレートモノマーと、ＬＣと、連鎖延長剤と、共開始剤と、光開始剤とを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明する。

アクリレートは、高速動力学、他の材料との良好な混合、およびフィルム形成プロセスとの互換性という利点をもたらす。アクリレートは、架橋結合されるため、機械的に堅牢かつ可撓性である傾向にある。例えば、二官能性および三官能性のウレタンアクリレートも、ＨＰＤＬＣ技術のために広範に使用されている。五官能性および六官能性幹等のより高い官能性材料もまた、使用されている。
ディスプレイ分解能を倍増させるためのシステム

本発明の種々の実施形態による、ディスプレイ分解能倍増ソリューションを統合する、システムは、多くの異なる方法において実装されることができる。多くの実施形態では、システムは、マイクロディスプレイからの画像光を投影させるための画像プロジェクタと、画像プロジェクタによる順次表示のために、本来の画像および所定の方向に偏移された少なくとも１つの画像を算出するための画像プロセッサと、回折状態と非回折状態との間で切り替えられることが可能な少なくとも１つの切替可能な格子とを含む。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、自由空間内に構成される。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、少なくとも１つの導波管内に配置される。具体的用途に応じて、本システムは、切替可能格子および受動格子の組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、画像プロジェクタに光学的に結合されることができる。光は、各ピクセルからの光が、一意の角度方向にマッピングされるように、投影されることができる。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、本来の画像光を伝搬するための第１の構成と、所定の方向における画像偏移に対応する角度変位を有する、偏移された画像光を伝搬するための少なくとも１つの他の構成とを有する。本来の画像および偏移された画像は、ヒトの眼の統合周期内で順次表示され、ディスプレイ分解能倍増を提供することができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ分解能は、２倍にされることができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ分解能は、４倍にされる。容易に理解され得るように、そのようなシステムの具体的特性評価は、具体的実装に依存し得、その設計は、所与の用途の具体的要件に依存し得る。

画像偏移は、いくつかの異なる方法において実装されることができる。多くの実施形態では、画像プロセッサが、少なくとも１つの画像偏移を算出する。さらなる用途では、画像プロセッサは、所与の本来の画像に関する少なくとも２つの画像偏移を算出する。いくつかの実施形態では、画像は、所定の量だけ所定の方向に偏移される。さらなる実施形態では、画像偏移は、ピクセルの垂直または水平の寸法のちょうど半分と等しい。いくつかの実施形態では、画像偏移は、（Ｎ＋１／２）×ピクセル寸法であり、Ｎは、整数である（０は、整数と仮定される）。これは、画像サイズ内でＮ個のピクセルのみを失って、より多くの柔軟性をオフセット設計に与え得る。いくつかの実施形態では、本来の画像および偏移された画像は、ヒトの眼の統合周期内で順次表示される。いくつかの実施形態では、画像偏移は、垂直または水平のうちの１つであって、分解能２倍増を提供する。いくつかの実施形態では、画像偏移は、垂直および水平偏移を含み、垂直および水平分解能の両方の２倍増を提供する。種々の実施形態では、整数の垂直および半ピクセルの水平オフセットが、提供される。他の実施形態では、整数の水平および半ピクセルの垂直オフセットが、提供される。いくつかの実施形態では、垂直および水平オフセットは、ピクセル寸法の異なる整数倍数を有し、導波管の平面における非直交入力、折畳、および出力格子ベクトル（Ｋベクトル成分）から生じる、画像オフセットを補償することができる。容易に理解され得るように、具体的画像偏移スキームが、所与の用途の具体的要件に応じて選定されることができる。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明のある実施形態による、２つの異なる動作状態における、分解能倍増導波管デバイスの断面図を概念的に図示する。図１Ａおよび１Ｂの概略側面立面図に示されるように、本デバイスは、本来の画像および少なくとも１つの偏移された画像を伝搬するために、少なくとも２つの異なる構成１００Ａ、１００Ｂを有することができる。そのような構成を利用することによって、本デバイスは、ディスプレイ分解能を２倍にすることが可能である。多くの実施形態では、限定ではないが、分解能４倍増等のさらなる分解能倍増動作も、可能にされることができる。いくつかの実施形態では、そのような動作は、光を異なる方向におけるピクセル偏移に対応する異なる方向に偏向させるために、さらなる導波管をスタックすることによって可能にされる。例証的実施形態では、本デバイスは、画像プロジェクタ１０１と、画像プロセッサ１０２と、分解能倍増導波管とを含む。

図１Ａを参照すると、画像プロジェクタ／生成器１０１は、ピクセル１０１Ｂのアレイを提供する、マイクロディスプレイパネル１０１Ａと、各ピクセルからの光が一意の角度方向にマッピングされるように、マイクロディスプレイからの画像光を投影させるための投影レンズ１０１Ｃとを含むことができる。いくつかの実施形態では、投影レンズは、多要素屈折レンズシステムである。いくつかの実施形態では、投影レンズは、回折要素または表面を含むことができる。図１Ａは、本基本構成の画像プロジェクタを図示するが、任意のタイプの画像プロジェクタが実装されることができることが、当業者に明白となるはずである。例えば、いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、レーザスキャナを使用して、ピクセル化された画像を形成する。多くの実施形態では、画像プロジェクタは、１つを上回るピクセル化された画像源を提供するために、１つを上回るマイクロディスプレイまたはレーザスキャナを含む。

データ通信および制御リンク１０２Ａを介して画像プロジェクタ１０１に電気的に接続され得る、画像プロセッサ１０２は、画像プロジェクタ１０１による順次表示のために、本来の（非偏移）画像および所定の方向に偏移された少なくとも１つの画像を算出することが可能である。画像プロジェクタ１０１からの画像光は、分解能倍増導波管の中に光学的に結合されることができる。例証的実施形態では、画像光は、プリズム１０９によって、分解能倍増導波管の中に結合される。他の実施形態では、プリズムは、格子によって置換されてもよい。

分解能倍増導波管は、上側入力格子１０４および上側出力格子１０５を含有する、上側導波管層１０３と、下側入力格子１０７および下側出力格子１０８を含有する、下側導波管層１０６とを含むことができる。多くの実施形態では、格子は、印加される電圧に応答して状態を切り替えることが可能な切替可能な格子である。示されるように、電圧は、シンボルＶによって示され、数字１１４Ａ−１１４Ｄによって参照される、電気接続によって、格子に印加されることができる。例証的実施形態では、上側入力格子１０４は、下側入力格子１０７に実質的に重複し、上側出力格子１０５は、下側出力格子１０８に実質的に重複する。図１Ａに図示される、第１の構成は、上側入力および出力格子１０４、１０５が、その回折状態にあるときを示す。図１Ｂに図示される、第２の構成は、上側入力および出力格子１０４、１０５が、その非回折状態にあるときを示す。

本来の画像フレームが、マイクロディスプレイ１０１Ａ上に表示されると、光は、画像プロジェクタ１０１から上側導波管層１０３の中に進行することができる。入力および出力格子１０４、１０５の上側セットがその回折状態にあると、光は、導波管層１０３から外に抽出されることができる。本光経路は、光線１０００−１００４によって図１Ａに図示され、本来の画像フレームピクセルは、１００５によって示される。偏移された画像フレームが、表示されると、光は、画像プロジェクタ１０１から下側導波管層１０６の中に進行することができる。入力および出力格子１０４、１０５の上側セットがその非回折状態にあって、かつ入力および出力格子１０７、１０８の下側セットがその回折状態にあると、光は、外に抽出されることができる。偏移された画像に関する光経路は、光線１０００、１０１１−１０１５によって、図１Ｂに図示され、偏移された画像フレームピクセルは、１０１６によって示される。光線１００９、１０１７は、導波管層１０３、１０６の入力格子１０４、１０７からのゼロ次光を示す。示されるように、ゼロ次光は、導波管から外に実質的に逸脱されずに光トラップ１１３上へと伝搬する。図面から、図１Ａおよび１Ｂに示されるアーキテクチャのわずかな修正を用いて、導波管層のいずれかが、本来の画像フレームを伝搬するために使用されることができることが、明白となるはずである。

多くの実施形態では、上側導波管層１０３の格子１０４、１０５は、切り替わるように構成される一方、下側導波管層１０６の格子１０７、１０８は、常時、その回折状態にあるように構成される。いくつかの実施形態では、両導波管層の格子は、切り替わるように構成される。さらなる実施形態では、下側導波管層の格子は、上側導波管の格子がその回折状態に切り替えられると、その非回折状態に切り替えられる。そのような構成は、図２に概念的に図示される。示されるように、構成１００Ｃは、上記に説明されるように、電圧源１１４Ａ−１１４Ｄを制御して、格子を切り替えることによって実装されることができる。そのような構成では、上側導波管層中に逆結合するゼロ次光のリスクは、低減されることができる。

格子は、上側導波管層の格子がその回折状態にあるとき、入力画像生成器が、本来の画像を表示し、上側導波管層の格子がその非回折状態にあるとき、画像生成器が、半ピクセル水平偏移を伴って再算出された画像を表示するように、マイクロディスプレイのフレーム更新と連動して、切り替えられることができる。多くの実施形態では、本来のフレームと偏移されたフレームの切替は、ヒトの眼統合時間内に生じ、ディスプレイ視認者は、表示される画像分解能の２倍を確保する。

上側および下側導波管内の格子は、同様に構成されるが、本来の画像に対して半ピクセルに相当する相対的角度偏移を生産するように設計される、若干異なる格子処方を有することができる。そのような効果は、多くの異なる方法において達成されることができる。いくつかの実施形態では、要求される角度偏移は、小傾斜を格子Ｋベクトルに適用することによって生産される。いくつかの実施形態では、要求される角度偏移は、入力および出力格子によって形成される表面格子に対する小変化によって生産される。本来の画像および偏移された画像フレームの角度分離は、典型的には、非常に小さいため、ディスプレイ導波管の中に結合されると、画像フレーム画像光は、導波管ディスプレイのアイボックスの中に抽出される前に、高効率を伴って伝搬される。いくつかの実施形態では、上側および下側導波管は、数回の全内部反射バウンスのみが、光抽出の前に生じるように設計される。これは、別個の導波管デバイスの中に効率的に結合するために、ビーム拡張を低減させることができる。

多くの実施形態では、導波管層は、小空気間隙によって分離され、光学隔離を確実にすることができる。いくつかの実施形態では、ナノ多孔性材料等の低屈折率材料が、導波管隔離のために使用されることができる。導波管層は、具体的スペクトル帯域のために構成されることができる。いくつかの実施形態では、別個の導波管層が、赤色、緑色、および青色光のために提供される。いくつかの実施形態では、別個の導波管層が、赤色および青色／緑色光のために提供される。導波管格子はまた、１つを上回る波長を多重化するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、導波管格子は、１つを上回る角度帯域幅を多重化する。

多くの実施形態では、分解能倍増導波管は、導波管ディスプレイに光学的に結合されることができる。図３Ａおよび３Ｂは、１つのそのような実施形態の２つの動作状態１１０Ａ、１１０Ｂを示す、概略側面立面図を概念的に図示する。分解能倍増導波管は、図１Ａ、１Ｂ、および２に図示されるものと同じように実装されることができる。図３Ａを参照すると、導波管ディスプレイ１０９は、入力格子１１１と、出力格子１１２とを含む。いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイはさらに、折畳格子を含む。いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイは、異なる色の光を伝搬するための別個の層を含む。例証的実施形態では、以前に議論されたシステムと同様に、分解能２倍増導波管の上側導波管層から出現する、本来の画像フレーム光１００４は、光線１００７によって表されるように、導波管から外に結合され、１００８によって示されるもの等のピクセルを含有する出力画像を形成する前に、光線１００５−１００６によって表されるＴＩＲ経路に沿って、導波管ディスプレイの中に結合ことができる。図３Ｂに示されるように、分解能２倍増導波管の第２の導波管層から出現する、偏移された画像フレーム光１０１５は、光線１０１８によって表されるように、導波管から外に結合され、対応する本来のピクセルから偏移される、１００８よって示されるもの等のピクセルを含有する出力画像を形成する前に、光線１０１６−１０１７によって表されるＴＩＲ経路に沿って、導波管ディスプレイの中に結合されることができる。例証的実施形態では、出力画像は、半ピクセル幅によって偏移される。

多くの実施形態では、限定ではないが、分解能４倍増等のさらなる分解能倍増動作が、可能にされることができる。例えば、分解能４倍増は、垂直および水平分解能の両方を２倍にすることによって実装されることができる。図４Ａ−４Ｄは、本発明のある実施形態による、分解能４倍増を提供するために使用される、４つの異なるピクセル偏移ステップの正面立面図を概念的に図示する。図４Ａは、本来の画像１２０Ａを示し、これは、間隙１２２によって分離されるピクセル１２１を含有する、４×４ピクセルアレイによって表される。図４Ｂは、水平に偏移されたピクセルアレイ１２０Ｂを図示し、その中で各ピクセル１２１は、その対応する本来のピクセルに対して第１の半ピクセル水平偏移を受け、ピクセル１２３をもたらしている。図４Ｄは、偏移されたピクセルアレイ１２０Ｄを図示し、その中で各ピクセル１２４は、その対応する本来のピクセル１２１に対して水平および垂直に偏移されている。図４Ｄは、垂直に偏移されたピクセルアレイ１２０Ｄを図示し、その中で各ピクセル１２５は、その対応する本来のピクセル１２１に対して半ピクセル垂直偏移を受けている。

図５Ａ−５Ｂの概略側面立面図に示されるもの等のいくつかの実施形態では、少なくとも１つの切替可能な格子は、導波管内に配置される、第１、第２、第３、第４の格子を含む。第１の格子は、第３の格子に重複し、第２の格子は、第４の格子に重複する。第１および第３の格子は、入力結合器として作用し、第２およびさらなる格子は、出力結合器として作用する。第１の構成は、その回折状態における、第１または第３の格子のうちの１つおよび第２または第４の格子のうちの１つによって提供される。偏移された画像光を伝搬するための構成は、第１または第３の格子のうちの１つおよび第２または第４の格子のうちの１つの他の組み合わせによって提供される。いくつかの実施形態では、第１および第２の格子は、導波管内の第１の層の中に配置され、第３および第４の格子は、導波管内の第２の層の中に配置される。

図５Ａ−５Ｄは、本発明のある実施形態による、図４Ａ−４Ｄに図示される４ピクセルアレイ構成を伝搬するように設計される、導波管ディスプレイの格子状態を概念的に図示する。例証的実施形態では、導波管ディスプレイ１３１は、回折状態１３２Ａ、１３３Ａおよび非回折状態１３２Ｂ、１３３Ｂによって表される、上側入力格子および上側出力格子を含有する、上側格子層を含み、１３２Ａおよび１３２Ｂは、上側入力格子の状態を説明し、１３３Ａおよび１３３Ｂは、上側出力格子の状態を説明する。導波管ディスプレイはまた、回折状態１３４Ａ、１３５Ａおよび非回折状態１３４Ｂ、１３５Ｂによって表される、下側入力格子および下側出力格子を含有する、下側格子層を含むことができ、１３４Ａおよび１３４Ｂは、下側入力格子の状態を説明し、１３５Ａおよび１３５Ｂは、下側出力格子の状態を説明する。入力格子は、画像プロジェクタ１３７からの光を導波管ディスプレイ１３１内のＴＩＲ経路の中に結合するために構成されることができ、出力格子は、光を導波管ディスプレイ１３１から外に結合するために構成されることができる。例証的実施形態では、導波管ディスプレイ１３１はさらに、上側格子層内に配置され、出力格子との関連付けにおいて、２次元ビーム拡張を提供する、共通折畳格子１３３を含む。折畳格子は、２つの格子層のいずれか内に配置されることができる。いくつかの実施形態では、各格子層は、折畳格子を含有する。他の実施形態では、導波管ディスプレイは、折畳格子を含有または要求しない。電圧は、シンボルＶによって示され、数字１３８Ａ−１３８Ｄによって参照される、電圧源への電気接続を介して、格子に印加される。

図５Ａは、下側入力格子および下側出力格子が、それぞれ、その回折状態１３４Ａ、１３５Ａにあって、上側入力格子および上側入力格子が、それぞれ、その非回折状態１３２Ｂ、１３３Ｂにある、図４Ａのピクセル構成（本来の画像）を伝搬するための格子構成１３０Ａを概念的に図示する。回折される光線経路は、光線１０３０Ａ−１０３３Ａによって示される。図５Ｂは、上側入力格子および下側出力格子が、それぞれ、その回折状態１３２Ａ、１３５Ａにあって、下側入力格子および上側出力格子が、それぞれ、その非回折状態１３４Ｂ、１３３Ｂにある、図４Ｂのピクセル構成を伝搬するための格子構成１３０Ｂを概念的に図示する。回折される光線経路は、光線１０３０Ｂ−１０３３Ｂによって示される。図５Ｃは、上側入力格子および上側出力格子が、それぞれ、その回折状態１３２Ａ、１３３Ａにあって、下側入力格子および上側出力格子が、それぞれ、その非回折状態１３４Ｂ、１３５Ｂにある、図４Ｃのピクセル構成を伝搬するための格子構成１３０Ｃを概念的に図示する。回折される光線経路は、光線１０３０Ｃ−１０３３Ｃによって示される。図５Ｄは、下側入力格子および上側出力格子が、それぞれ、その回折状態１３４Ａ、１３３Ａにあって、上側入力格子および下側出力格子が、それぞれ、その非回折状態１３２Ｂ、１３５Ｂにある、図４Ｄのピクセル構成を伝搬するための格子構成１３０Ｄを図示する。回折される光線経路は、光線１０３０Ａ−１０３３Ａによって示される。

図５Ａ−５Ｄの装置を使用して６０Ｈｚ １０８０ｐ画像フレームレートを達成するステップは、４つのビデオサブフレームが２４０Ｈｚビデオフレームレートで生成されることを要求し得る。各ビデオサブフレームはさらに、赤色、緑色、青色サブフレームがフレームレートを７２０Ｈｚまで増加させることを要求し得る。多くの実施形態では、図５Ａ−５Ｄに図示される２層格子アーキテクチャが、モノクロ光を伝搬するために使用されることができ、さらなる類似導波管が、他の色のために要求される。例えば、いくつかの実施形態では、別個の導波管が、赤色、緑色、および青色のために実装されることができる。いくつかの実施形態では、カラーディスプレイは、１つの赤色導波管と、１つの青色／緑色導波管とを具備する。図５Ａ−５Ｄの切替可能な格子配列は、限定ではないが、低コストおよび複雑性、入力画像が、プロジェクタから最小数のＩＴＯ層を通して通過すること、二重の切替可能な格子オフセットが、別個に切り替えられ、それによって、損失を最小限にすることを含む、いくつかの利点を有する。

図５Ａ−５Ｄの検討から、いくつかの実施形態では、上側または下側入力格子のうちの一方は、本来の画像および偏移された画像を順次伝搬する導波管を提供するために排除されることができることが、明白となるはずである。代替として、同一理由から、上側または下側出力格子のうちの一方も、同一効果を達成するために排除されることができる。いくつかの実施形態では、図５Ａ−５Ｄにおける格子層のうちの１つは、非切替式であってもよい。

図６は、本発明のある実施形態による、導波管ディスプレイの分解能を倍増させる方法を概念的に図示する、フローチャートを示す。示されるように、プロセス１４０は、画像プロジェクタおよび画像プロセッサを提供するステップ（１４１）を含む。導波管が、提供され得（１４２）、導波管は、第１、第２、第３、および第４の切替可能な格子を含有し、第１および第３の格子は、実質的に重複し、第２および第４の格子は、実質的に重複する。各格子は、ある角度偏移を入射光に適用するための光学処方を有することができる。ピクセル偏移が、選択され得る（１４３）。多くの実施形態では、ピクセル偏移は、（Ｎ＋１／２）×Ｐを満たし、Ｎは、ゼロ以上の整数であり、Ｐは、ピクセル寸法である。偏移された画像が、次いで、画像プロセッサを使用して、算出され得る（１４４）。偏移された画像は、画像プロジェクタに書き込まれることができる（１４５）。表示のために、第１および第３の切替可能な格子のうちの１つおよび第２および第４の切替可能な格子のうちの１つは、その回折状態に切り替えられることができる（１４６）。偏移された画像光は、回折する第１または第３の切替可能な格子を介して、導波管の中に結合されることができ（１４７）、回折する第２または第４の切替可能な格子を介して、導波管から外に結合されることができ（１４８）、ピクセル偏移は、回折する切替可能な格子の処方によって決定される。プロセス１４０は、ステップ１４３から開始し、全ての要求される画像ピクセル偏移が完了されるまで、繰り返されることができる。図６は、導波管ディスプレイの分解能倍増を実装するための具体的プロセスを図示するが、種々のプロセスのいずれかおよびそのようなものの修正は、本発明の種々の実施形態に従って実践されることができる。

多くの実施形態では、切替可能な格子は、非切替格子をさらに含む、導波管内に配置される。さらなる実施形態では、非切替格子は、上記に説明されるように、ビーム拡張のために使用される、折畳格子（時として、方向転換格子とも称される）である。そのような実施形態では、導波管は、分解能倍増および２軸ビーム拡張を実装することができる。いくつかの実施形態では、分解能倍増のために使用される、格子のうちの少なくとも１つは、回転Ｋベクトル格子である。Ｋベクトル（より一般には、格子ベクトルと称される）は、格子平面（または干渉縞）に対して法線方向に整合されたベクトルと称され得、これは、所与の範囲の入力および回折される角度のための光学効率を決定する。Ｋベクトルを回転させることは、導波管厚を増加させる必要なく、格子の角度帯域幅が拡張されることを可能にする。いくつかの実施形態では、切替可能な格子は、波長または角度帯域幅のうちの少なくとも１つを多重化する、少なくとも１つの格子を含む。ホログラフィの文献では、１つを上回るホログラフィック処方が単一ホログラフィック層の中に記録されることができることが、明確に認められている。したがって、そのような多重化されたホログラムを記録するための方法は、当業者に周知である。いくつかの実施形態では、切替格子および関連付けて使用される他の格子のうちの少なくとも１つは、２つ以上の角度回折処方を組み合わせ、角度帯域幅を拡張させる、またはスペクトル帯域幅を拡張させることができる。例えば、色多重化格子が、原色のうちの２つ以上のものを回折するために使用されることができる。

上記に説明される実施形態のいずれかでは、入力画像ノード（「ＩＩＮ」）と称され得る、画像プロジェクタは、マイクロディスプレイパネルと、光源と、ディスプレイパネルを照明する、反射された光を分離する、およびそれを要求される視野の中にコリメートするために一般に使用される、他の光学コンポーネントとを統合することができる。多くの実施形態では、画像プロジェクタは、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＩＤＥ−ＡＮＧＬＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許出願第１３／８６９，８６６号、および「ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許出願第１３／８４４，４５６号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態および教示に基づくことができる。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、光をマイクロディスプレイ上に指向し、反射された光を導波管に向かって伝送するためのビームスプリッタを含有する。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、ＨＰＤＬＣ内に記録される格子であって、そのような格子の固有の偏光選択性を使用して、ディスプレイを照明する光およびディスプレイから反射された画像変調された光を分離する。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタ立方体である。種々の実施形態では、画像プロジェクタは、照明ホモジナイザまたはレーザビームスペックル除去器を組み込む。スペックル除去器は、「ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥ」と題された米国特許第８，５６５，５６０号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）の実施形態および教示に基づいて実装されることができる。

多くの実施形態では、光源は、レーザである。いくつかの実施形態では、光源は、ＬＥＤであって、これは、レーザより良好な照明および色均一性を提供することができる。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、照明角度特性を修正するための１つ以上のレンズを含む。レーザ照明が、使用される場合、照明干渉縞が導波管出力において生じるリスクが存在し得る。いくつかの実施形態では、導波管内のレーザ照明干渉縞は、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ ＩＮＰＵＴ ＩＭＡＧＥＳ ＦＯＲ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された米国特許出願第１５／５１２，５００号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される技法および教示を使用して克服されることができる。いくつかの実施形態では、光源からの光は、偏光される。いくつかの実施形態では、画像源は、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）マイクロディスプレイまたはシリコン上液晶（「ＬＣｏＳ」）マイクロディスプレイである。種々の実施形態では、画像源は、微小電気機械的システム（「ＭＥＭｓ」）デバイスである。いくつかの実施形態では、画像源は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔｓ製デジタル光プロジェクタ（「ＤＬＰ」）技術に基づく、ディスプレイパネルである。

多くの実施形態では、使用される格子のいずれかは、出力のコリメーションを調節するために、屈折力をエンコードすることができる。いくつかの実施形態では、出力画像は、無限遠におけるものである。いくつかの実施形態では、出力画像は、導波管から数メートルの距離に形成されることができる。折畳格子を利用する、実施形態では、折畳格子角度帯域幅は、誘導される光と格子の二重相互作用を提供するように格子処方を設計することによって、向上されることができる。二重相互作用折畳格子の例示的実施形態は、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＧＲＡＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」と題された米国特許出願第１４／６２０，９６９号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される。

本発明の種々の実施形態による、分解能倍増のために使用される導波管は、格子層をガラスまたはプラスチック基板間に挟入し、全内部反射が外側基板および空気界面で生じる、スタックを形成することによって、形成されることができる。スタックはさらに、ビーム分割コーティングおよび環境保護層等の付加的層を含むことができる。いくつかの実施形態では、セル基板は、ガラスから加工されることができる。利用される１つのタイプのガラス基板は、標準的Ｃｏｍｉｎｇ Ｗｉｌｌｏｗガラス基板（屈折率１．５１）であって、これは、５０マイクロメートルまでの厚さにおいて利用可能である。他の実施形態では、セル基板は、光学プラスチックであることができる。格子は、透明基板上にコーティングされ、ホログラフィック暴露プロセスが完了された後、保護透明層によって被覆される、材料の層内に記録されることができる。いくつかの実施形態では、格子層は、別個の層に分割されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、第１の層は、折畳格子を含む一方、第２の層は、出力格子を含む。さらなる実施形態では、第３の層は、入力結合器または格子を含むことができる。層の数は、次いで、単一導波管基板の中にともに積層されることができる。いくつかの実施形態では、格子層は、ともに積層され、単一基板導波管を形成する、入力結合器、折畳格子、および出力格子（またはその一部）を含む、いくつかの部品を含む。部品は、部品のものに合致する屈折率の光学糊または他の透明材料によって分離されることができる。

格子層は、セル作製プロセスを介して、所望の格子厚のセルを作成し、入力結合器、折畳格子、および出力格子毎に、各セルをホログラフィック記録材料で真空充填することによって、形成されることができる。多くの実施形態では、セルは、入力結合器、折畳格子、および出力格子のための所望の格子厚を画定する、間隙をガラスのプレート間に伴って、ガラスの複数のプレートを位置付けることによって形成される。いくつかの実施形態では、１つのセルは、別個の開口がホログラフィック記録材料の異なるポケットで充填されるように、複数の開口とともに作製されることができる。任意の介在空間が、次いで、糊または油等の分離材料によって分離され、別個のエリアを画定することができる。いくつかの実施形態では、ホログラフィック材料は、材料の硬化後、基板上にスピンコーティングされ、次いで、第２の基板によって被覆されることができる。折畳格子を使用することによって、導波管ディスプレイは、情報を表示する以前のシステムおよび方法より少ない層を利用することができる。加えて、折畳格子を使用することによって、光は、導波管の外側表面によって画定された単一直角プリズムにおいて、導波管内の全内部反射によって進行する一方、二重瞳拡張を達成することができる。入力結合器、折畳格子、および出力格子は、光の２つの波に基板内である角度で干渉し、ホログラフィック波正面を作成し、それによって、導波管基板内に所望の角度で設定される明るいおよび暗い干渉縞を作成することによって作成されることができる。いくつかの実施形態では、所与の層内の格子は、記録レーザビームを格子エリアを横断して走査する、または段階を踏むことによって、ステップ毎方式において記録される。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック印刷産業において現在使用されているマスタリングおよび密着複写プロセスを使用して記録される。

多くの実施形態では、格子は、ホログラフィックポリマー分散液晶（「ＨＰＤＬＣ」）（例えば、液晶液滴の基質）内に記録されるが、ＳＢＧはまた、他の材料内に記録されてもよい。一実施形態では、ＳＢＧは、液体ポリマー内に分散される固体液晶の基質を有する、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳまたはＰＯＬＩＰＨＥＭ等の均一変調材料内に記録される。ＳＢＧは、性質上、切替または非切替式であることができる。その非切替形態では、ＳＢＧは、その液晶成分に起因して、高屈折率変調を提供することが可能な従来のホログラフィックフォトポリマー材料に優る利点を有する。例示的均一変調液晶−ポリマー材料系は、Ｃａｐｕｔｏ ｅｔ ａｌ．による米国特許公開第２００７／００１９１５２号およびＳｔｕｍｐｅ ｅｔ ａｌ．によるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０号（両方とも、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される。均一変調格子は、高屈折率変調（故に、高回折効率）および低散乱によって特徴付けられる。

多くの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、逆モードＨＰＤＬＣ材料内に記録される。逆モードＨＰＤＬＣは、格子が、電場が印加されないとき、受動的であって、電場の存在下、回折性であるという点で、従来のＨＰＤＬＣと異なる。逆モードＨＰＤＬＣは、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される、レシピおよびプロセスのいずれかに基づくことができる。格子は、上記の材料系のいずれか内に記録されるが、受動（非切替）モードで使用されることができる。そのような実施形態では、加工プロセスは、切替式のために使用されるものと同じであることができるが、電極コーティング段階は、省略される。ＬＣポリマー材料系は、その高屈折率変調に照らして、非常に望ましい。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣ内に記録されるが、切り替えられない。

本発明の種々の実施形態による、分解能倍増装置は、眼トラッカと組み合わせて使用され、眼トラッカディスプレイを形成することができる。眼トラッカは、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＥＲ」と題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＯＰＴＩＣＡＬ ＴＲＡＣＫＥＲ」と題された第ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０００２７４号、および「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＩＮＧ」と題された第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００２１０号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）の実施形態および教示に基づくことができる。

本発明の多くの実施形態では、分解能倍増装置は、動的集束要素をさらに含む、導波管ディスプレイ内で使用される。動的集束要素は、「ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ ＦＯＣＵＳ ＴＵＮＡＢＬＥ ＬＥＮＳ」と題された米国特許出願第１５／５５３，１２０号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）の実施形態および教示に基づくことができる。いくつかの実施形態では、動的集束要素および眼トラッカをさらに含む、二重拡張導波管ディスプレイは、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＦＩＥＬＤ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された米国特許出願第１５／５４３，０１３号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態および教示に基づくライトフィールドディスプレイを提供することができる。

多くの実施形態では、本発明の原理による、分解能倍増装置は、限定ではないが、道路車両用途のためのフロントガラス統合式ＨＵＤ等の窓内に統合される、導波管ディスプレイにおいて使用されることができる。いくつかの実施形態では、分解能倍増装置は、画像コンテンツを画像プロジェクタと分解能倍増格子を含有する導波管との間で中継するための勾配屈折率（「ＧＲＩＮ」）導波コンポーネントを含むことができる。いくつかの実施形態では、分解能倍増装置は、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＬＩＧＨＴ ＰＩＰＥ」と題された米国特許出願第１５／５５８，４０９号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態に基づいて、ビーム拡張を１つの方向に提供するための光パイプを組み込む、二重拡張導波管ディスプレイにおいて使用されることができる。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタ内の入力画像源は、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許第９，０７５，１８４号（本開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示されるようなレーザスキャナであってもよい。

多くの実施形態では、本発明の原理による、分解能倍増装置は、５０度対角線の視野を伴う拡張現実導波管ディスプレイにインターフェースを取られてもよい。本発明の用途において使用され得る、導波管ディスプレイの実施例は、参考文献に議論される。本発明の用途は、必ずしも、導波管ディスプレイに制限されない。いくつかの実施形態では、分解能２倍増導波管は、任意のタイプのウェアラブルまたは投影ディスプレイにおいて使用するためのコンパクトな画像生成器を提供することができる。いくつかの実施形態では、分解能倍増装置は、画像プロジェクタを提供することができる。いくつかの実施形態では、装置は、画像ディスプレイ光学、接眼レンズ、投影レンズ、または導波管のうちの１つに光学的に結合される。種々の実施形態では、装置は、ＨＭＤ、ＨＵＤ、眼追従式ディスプレイ、動的焦点ディスプレイ、またはライトフィールドディスプレイの一部を形成する。本開示の実施形態および教示のうちのいくつかは、限定ではないが、眼トラッカ、指紋スキャナ、およびＬＩＤＡＲシステム等の導波管センサ内に適用されることができる。

図面は、例示的であって、寸法は、誇張されていることを強調されたい。例えば、ＳＢＧ層の厚さは、大幅に誇張されている。上記に説明される実施形態のいずれかに基づく、光学デバイスは、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示される材料およびプロセスを使用して実装されることができる。いくつかの実施形態では、導波管実施形態は、湾曲されることができる。

具体的システムおよび構成が、上記に説明されるが、本発明の種々の実施形態は、様々な用途において実践されることができる。例えば、特許および特許出願の以下のリストは、本発明の種々の実施形態とともに実践され得る、多くの異なるタイプの導波管用途および材料系を説明し、その開示は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。「ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された米国特許第８，２３３，２０４号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ Ａ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題されたＰＣＴ出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号、「ＷＥＡＲＡＢＬＥ ＤＡＴＡ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題されたＰＣＴ出願第ＧＢ２０１２／０００６７７号、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許出願第１３／３１７，４６８号、「ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ ＩＳＯＬＡＴＥＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許出願第１５／５４３，０１６号、「ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥ」と題された米国特許第８，２２４，１３３号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」と題された米国特許第６，１１５，１５２号、「ＣＯＮＴＡＣＴ ＩＭＡＧＥ ＳＥＮＳＯＲ ＵＳＩＮＧ ＳＷＩＴＣＨＡＢＬＥ ＢＲＡＧＧ ＧＲＡＴＩＮＧＳ」と題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００００５号、「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＥＸＴＥＮＤＩＮＧ ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＦＩＥＬＤ ＯＦ ＶＩＥＷ ＩＮ ＨＥＡＤ ＵＰ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ Ａ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＣＯＭＢＩＮＥＲ」と題された米国特許第８，９０３，２０７号、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＷＥＡＲＡＢＬＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許第８，６３９，０７２号、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された米国特許第８，８８５，１１２号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１６／０００１８１号。

上記の説明は、本発明の多くの具体的実施形態を含有するが、これらは、本発明の範囲における限定としてではなく、むしろ、その一実施形態の実施例として解釈されるべきである。種々の実施形態に示されるようなシステムおよび方法の構造および配列は、例証にすぎない。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、具体的に説明されたもの以外の方法で実践されてもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態のみが、本開示に詳細に説明されているが、多くの修正が、可能性として考えられる（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、搭載配列、材料の使用、色、配向等の変動）。例えば、要素の位置は、逆転または別様に変動されてもよく、離散要素または位置の性質または数は、改変または変動されてもよい。故に、全てのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。任意のプロセスまたは方法ステップの順序またはシーケンスは、代替実施形態に従って、変動される、または並べ替えられてもよい。他の代用、修正、変更、および省略は、本開示の範囲から逸脱することなく、実施形態の設計、動作条件、および配列に行われてもよい。したがって、本発明の実施形態は、あらゆる点において、制限的ではなく、例証的と見なされるべきである。故に、本発明の範囲は、図示される実施形態によってではなく、添付の請求項およびその均等物によって決定されるべきである。

Claims (20)

1. ディスプレイ分解能を倍増させるための装置であって、前記装置は、
   ピクセル化された画像源のピクセルからの光を一意の角度方向に指向するための画像プロジェクタと、
   前記画像プロジェクタによる順次表示のために、本来の画像および所定の方向に偏移された少なくとも１つの画像を算出するための画像プロセッサと、
   前記画像プロジェクタに光学的に結合される回折状態と非回折状態との間で切替可能な少なくとも１つの切替可能な格子であって、前記少なくとも１つの切替可能な格子は、前記本来の画像の光を伝搬するための第１の構成と、前記所定の方向に偏移された画像に対応する角度変位を伴う前記偏移された画像の光を伝搬するための少なくとも１つの構成とを有する、少なくとも１つの切替可能な格子と
   を備える、装置。
2. 前記少なくとも１つの切替可能な格子は、少なくとも１つの導波管内に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの切替可能な格子は、第１、第２、第３、第４の格子を備え、前記第１の格子は、前記第３の格子に重複し、前記第２の格子は、前記第４の格子に重複し、前記第１および第３の格子は、入力結合器として作用し、前記第２および第４の格子は、出力結合器として作用し、前記第１の構成は、その回折状態における前記第１または第３の格子のうちの１つおよび前記第２または第４の格子のうちの１つによって提供され、前記偏移された画像光を伝搬するための少なくとも１つの構成は、前記第１、第２、第３、および第４の格子の回折状態の少なくとも１つの他の組み合わせによって提供される、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１および第２の格子は、導波管内の第１の層の中に配置され、前記第３および第４の格子は、前記導波管内の第２の層の中に配置される、請求項３に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの切替可能な格子は、第１の導波管内に配置される第１および第２の格子と、第２の導波管内に配置される第３および第４の格子とを備え、前記第１の格子は、前記第３の格子に重複し、前記第２の格子は、前記第４の格子に重複し、前記第１および第３の格子は、入力結合器として作用し、前記第２および第４の格子は、出力結合器として作用し、前記第１の構成は、前記第１および第２の格子がその回折状態にあるときに提供され、前記第２の構成は、前記第１および第２の格子がその非回折状態にあるときに提供される、請求項１に記載の装置。
6. 前記画像偏移は、（Ｎ＋１／２）×ピクセル寸法と等しく、Ｎは、整数である、請求項１に記載の装置。
7. 前記本来の画像および偏移された画像は、ヒトの眼の統合周期内で順次表示される、請求項１に記載の装置。
8. 前記画像偏移は、垂直偏移または水平偏移のうちの１つである、請求項１に記載の装置。
9. 前記少なくとも１つの画像偏移は、垂直偏移および水平偏移を備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記切替可能な格子は、ホログラフィックポリマー分散型の切替可能なブラッグ格子内に記録される、請求項１に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの切替可能な格子は、非切替格子をさらに備える導波管内に配置される、請求項１に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの切替可能な格子は、折畳格子をさらに備える導波管内に配置される、請求項１に記載の装置。
13. 少なくとも１つの切替可能な格子は、波長または角度帯域幅のうちの少なくとも１つを多重化する少なくとも１つの格子を含む、請求項１に記載の装置。
14. 前記装置は、ＨＭＤ、ＨＵＤ、眼追従式ディスプレイ、動的焦点ディスプレイ、またはライトフィールドディスプレイの一部を形成する、請求項１に記載の装置。
15. 前記画像プロジェクタはさらに、マイクロディスプレイパネルを備える、請求項１に記載の装置。
16. 前記画像プロジェクタは、プリズムまたは格子のうちの１つによって、前記第１の格子および前記第３の格子に光学的に結合される、請求項１に記載の装置。
17. 照明ホモジナイザをさらに備える、請求項１に記載の装置。
18. 前記格子のうちの少なくとも１つは、回転Ｋベクトル格子である、請求項１に記載の装置。
19. 前記導波管はさらに、入力結合器と、折畳格子と、出力結合器とを備える、請求項１に記載の装置。
20. 導波管ディスプレイの分解能を倍増させる方法であって、前記方法は、
    画像プロジェクタおよび画像プロセッサを提供することと、
    第１、第２、第３、および第４の切替可能な格子を含有する導波管を提供することであって、前記第１および第３の格子は、実質的に重複し、前記第２および第４の格子は、実質的に重複し、各格子は、ある角度偏移を入射光に適用するための光学処方を有する、ことと、
    ピクセル偏移（Ｎ＋１／２）×Ｐを選択することであって、Ｎは、ゼロ以上の整数であり、Ｐは、ピクセル寸法である、ことと、
    前記画像プロセッサを使用して、偏移された画像を算出することと、
    偏移された画像を前記画像プロジェクタに書き込むことと、
    前記第１および第３の切替可能な格子のうちの１つおよび前記第２および第４の切替可能な格子のうちの１つをその回折状態に切り替えることと、
    前記回折する第１または第３の切替可能な格子を介して、偏移された画像光を前記導波管の中に結合することと、
    前記回折する第２または第４の切替可能な格子を介して、画像光を前記導波管から外に結合することであって、ピクセル偏移は、前記回折する切替可能な格子の処方によって決定される、ことと
    を含む、方法。